PRACTICA 07 - Universidad de Costa Rica

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Práctica #7
GENÉTICA MENDELIANA Y
GENÉTICA DE POBLACIONES
I. Objetivos
*
Conocer conceptos básicos de la genética mendeliana y cómo se transmiten las características de
generación en generación.
*
Determinar la frecuencia de ciertos rasgos de herencia monogénicas y poligénicas, que se observa con
facilidad en el fenotipo de familiares mediante la construcción de genealogías.
*
Estudiar algún ejemplo de transmisión mendeliana de la herencia.- Codominancia
*
Conocer los parámetros utilizados en genética cuantitativa
*
Diferenciar entre frecuencia fenotípica, frecuencia genotípica y frecuencias alélicas
II. Introducción
El proceso biológico por medio del cual las especies tratan de asegurar la continuidad genética y el
mantenimiento de la población es el de la reproducción. Cuando un individuo produce progenie sin la
participación de células sexuales especiales se denomina reproducción asexual, el cual difiere con el de la
reproducción sexual en que en esta última participan dos núcleos especializados que se fusionan para dar
origen a un huevo fertilizado.
Inicialmente, se consideraba que la transmisión de las características a la siguiente generación ocurría por
una fusión de las características paternas. Sin embargo, a partir de los experimentos de Gregor Mendel
(1822-1884) con variedades de arvejas o guisantes (Pisum sativum, Fabaceae) se llegó a la conclusión de que
los rasgos hereditarios se transmiten y se distribuyen de una generación a otra según las leyes de
probabilidad, en forma de unidades separadas que se mantienen invariables a lo largo de las generaciones.
Las características fenotípicas cuyo patrón hereditarios sigue los postulados de Mendel se conocen como
razgos mendelianos.
De acuerdo con los conceptos genéticos más modernos, el gen debe considerarse una unidad funcional que
ocupa un segmento de un cromosoma que consta de pocas a muchas unidades estructurales dispuestas
linealmente (secuencia de nucleótidos en la cadena de ADN) que codifica para una característica
determinada. La palabra “locus” significa sitio específico en la cadena nucleotídica en que se encuentra el
gen.
Es posible que existan a nivel poblacional variantes de un mismo gen producto del proceso de mutación, lo
que eventualmente puede contribuir al proceso de la evolución. La constitución génica de un individuo se
conoce como GENOTIPO, y la expresión de los genes, en interacción con el ambiente, produce el
FENOTIPO del individuo.
En los organismos que son diploides cada individuo es portador de 1 par de alelos, uno es heredado de la
madre, y el otro del padre. Un ser vivo en el cual los dos alelos para una característica dada son iguales, es un
HOMOCIGOTO. Una planta de frijoles que posee los pares de alelos YY o yy es homocigoto para el color
de la semilla. Un organismo en el cual los dos alelos para una característica dada son diferentes es
HETEROCIGOTO. En el ejemplo anterior, una planta de frijoles que es heterocigota para el color de la
semilla se representa con las letras Yy. En un organismo híbrido, como lo es un heterocigoto, el alelo que se
manifiesta es el DOMINANTE. Por el contrario el alelo que no se expresa es el RECESIVO. Sin embargo,
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puede ser que ambos alelos se expresen y produzcan un fenotipo diferente, en dicho caso, los alelos para este
gen serian CODOMINANTES.
El Cuadrado de Punnet se usa para combinar los gametos de los parentales (P) y determinar la probabilidad
que tiene la descendencia de poseer uno o varios rasgos. Cuando se preparan el cruce, se asignan letras a los
alelos (formas alternativas de un gen). La letra mayúscula simboliza el alelo dominante y la letra minúscula,
el alelo recesivo.
Por ejemplo, una característica determinada por un sólo gen es el
lóbulo de la oreja en humanos, que puede ser libre o adherido (Fig. 1).
El gen tiene 2 alelos. El alelo para el lóbulo libre (alelo E) es
dominante sobre el del lóbulo adherido (alelo e). Hay 2 FENOTIPOS
y tres GENOTIPOS posibles. Si su lóbulo es libre, usted puede tener
uno de estos GENOTIPOS: EE ó Ee, mientras que si su lóbulo es
adherido, su genotipo sólo puede ser ee.
Figura 1. Lóbulo libre (izq) y
adherido (der) de la oreja
humana.
Homocigoto
dominante
Heterocigoto
Homocigoto
recesivo
EE
Ee
ee
Por ejemplo, si se quiere conocer la probabilidad de que se presente éste rasgo en la descendencia cuyo padre
es heterocigoto y presenta el lóbulo libre y la madre tiene el lóbulo adherido. E representa el alelo dominante
y e el alelo recesivo. Dado que el padre es heterocigoto para el fenotipo lóbulo libre, queda representado
como Ee, mientras la madre será ee.
En un cuadro de Punnet cada alelo y su probabilidad (p) son
ubicados en cada segmento.
En este caso, la probabilidad de tener descendencia que muestre el
fenotipo lóbulo libre es ½ (¼ Ee + ¼ Ee). Igual ocurre con la
probabilidad de una descendencia con el rasgo lóbulo adherido
(ee).
p: ½
E
Ee (¼)
Ee (¼)
p: ½
Indiv. lóbulo libre
Indiv. lóbulo adherido
p: ½
p: ½
e
e
e
ee (¼)
ee (¼)
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Son miles los rasgos visibles que forman el fenotipo único que distingue a cada persona. Los genes que
controlan rasgos humanos muestran muchos patrones de herencia.
Algunos rasgos humanos, como el color de los ojos, el color
del pelo o la calvicie, son rasgos fenotípicos que se heredan de
modo simple. La herencia monogénica presentan patrones de
segregación característicos que permiten definirlos en cuatro
modelos de herencia clásicos, llamados también mendelianos.
Ellos son: autosómico dominante (AD), autosómico recesivo
(AR), ligado al X recesivo (XR) y ligado al X dominante (XD).
Conociendo el patrón de herencia de una enfermedad, u
observando su comportamiento en la familia aunque no se
conozca el diagnóstico, se pueden estimar los riesgos de
afectación de cada uno de los miembros y su descendencia. La
siguiente figura muestra algunos de estos rasgos, controlados
por genes autosomales.
Otros rasgos rasgos humanos no tienen un patrón de herencia
monogénica. La textura del pelo es un ejemplo de dominancia incompleta, donde el genotipo heterocigoto
presenta un fenotipo intermedio. En este caso, ni el alelo dominante ni el alelo recesivo se expresan
completamente en el heterocigoto. El color del pelo y el color de los ojos envuelve más de un gen.
Para ver cómo estos rasgos se transmiten de generación a generación, puede hacerse un árbol genealógico o
un pedigrí. El pedigrí es un linaje de familia a través de generaciones de individuos relacionados.
Como ejemplo de árbol genealógico se seguirá un esquema como el que se indica a continuación:
I
1
2
3
4
II
1
2
3
4
5
6
1
2
7
8
4
5
9
III
3
En la genealogía, se indica el orden de las generaciones con número romano. La primera generación (I)
corresponde a la primera persona de la que se posean datos, por ejemplo la de los abuelos del alumno; la
segunda (II) correspondería a la de los padres y tíos, y la tercera (III), a la generación del alumno.
Los varones se representan con cuadrados, las mujeres con círculos, y por rombos los individuos de los que
no se conocen los datos (II.9). Las parejas se unen por una línea horizontal. Los descendientes se disponen
bajo una línea horizontal desde la que parte una línea vertical por individuo, excepto en el caso de mellizos
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(III.4 y 5) o gemelos fraternos (II.4 y 5), que se indican por líneas convergentes (ver figura). Los individuos
que muestran el fenotipo en estudio se indican rellenando el símbolo.
Podemos usar varias de éstas características fenotípicas para determinar la frecuencia de los alelos
dominantes y recesivos en la “población” del laboratorio. En éste caso, se analiza la constitución genética de
los individuos que componen las poblaciones (frecuencias génicas, alélicas y genotípicas) y la transmisión de
los genes de una generación a la siguiente.
En el lenguaje de la Genética de Poblaciones, el principio de Hardy-Weinberg (PHW) establece que, bajo
ciertas condiciones, tras ciertas generaciones de apareamientos al azar, las frecuencias de los genotipos de un
locus individual (posición de un gen) se fijaran en un valor de equilibrio particular. También especifica que
esas frecuencias de equilibrio se pueden representar como una función sencilla de las frecuencias alélicas en
ese locus. En el caso de un locus con dos alelos E y e, con frecuencias alélicas de p y q respectivamente, el
PHW predice que la frecuencia genotípica para el homocigoto dominante EE es p2, la del heterocigoto Ee es
2pq y la del homocigoto recesivo aa, es q2.
III. Procedimiento
Durante la sesión de laboratorio se realizarán 2 ejercicios que le permitirán conocer los principios básicos de
la genética mendeliana y la genética de poblaciones. Todos los subgrupos de trabajo realizarán ambos
ejercicios
Al finalizar los experimentos, se hará una discusión de los resultados obtenidos. Cada subgrupo debe estar
preparado para presentar y discutir sus resultados.
Ejercicio 1
1. Usando los rasgos descritos en el siguiente cuadro y la ayuda del instructor, determine la distribución de
frecuencia de éstos rasgos entre sus compañeros de laboratorio.
Característica fenotípica
Cruce de manos
Descripción
Cruce sus manos y observe ¿cuál brazo está adelante, el izquierdo o el
derecho? Colocar su brazo izquierdo en la parte superior está controlada
por un gen dominante. Si usted coloca el brazo derecho al frente entonces
es homocigota recesivo para ese carácter.
Pico de belleza
El pico distintivo en el centro de la frente está causado por un gen
dominante. Una línea de cabello continuo está controlada por un gen
recesivo. Evalúe en donde empieza a crecer el cabello.
Enrollamiento de lengua
Trate de doblar los lados de su lengua de manera que casi se toquen. La
habilidad para hacer esto está controlada por un gen dominante.
Lóbulo de la oreja
Los lóbulos de la oreja pueden estar separados o fusionados del borde de la
mandíbula, el lóbulo libre es dominante.
Camanances
Los hoyuelos que aparecen en las mejillas cuando usted sonríe están
controlados por un gen dominante.
Hoyuelo de barba
Está controlado por un gen dominante.
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Grosor de labios
Los labios gruesos son dominantes sobre los labios delgados.
Pecas
La presencia de pecas está controlada por un gen dominante.
Uso de las manos
La mayor habilidad en la mano derecha domina sobre la mayor habilidad
en la mano izquierda (“zurdo”).
Habilidad para
detectar sabor de PTC
La feniltiocarbamida (PTC) es una sustancia química cuyo sabor amargo es
percibido por la mayoría de los gustadores (dominante) pero no por un
reducido número de individuos no gustadores o ageúsicos (recesivo).
Pulgar de ponero
Algunas personas pueden inclinar la coyuntura distal o final del pulgar
hacia atrás a un ángulo mayor de 45 grados. Esto se conoce como "pulgar
de ponero". Un gene recesivo (h) determina esta habilidad. Un gene
dominante (H) en la gran mayoría de la gente evita que puedan inclinar esta
coyuntura a un ángulo mayor de 45 grados
Dedos Entrelazados
Entrelace sus dedos. ¿Cuál pulgar quedó arriba? El pulgar izquierdo sobre
el derecho es la condición dominante.
Ejercicio 2
Genética de Poblaciones
Patrones de herencia.- codominancia
Hasta este punto hemos considerado un patrón de herencia con dominancia completa, es decir, el individuo
homocigoto dominante o heterocigoto expresa el fenotipo dominante mientras que el individuo homocigoto
recesivo expresa el fenotipo recesivo. Sin embargo, la transmisión (herencia) de los rasgos puede ocurrir en
diversas formas. Por ejemplo, para algunos rasgos, un cruce entre dos alelos diferentes resulta en un fenotipo
que combina los dos alelos (dominancia incompleta). Por otra parte, la expresión de los dos alelos de un gen
particular se conoce como codominancia. En este caso, los fenotipos para ambos alelos se expresan al mismo
tiempo y con igual probabilidad en el heterocigoto. El sistema de grupos sanguíneos es un excelente ejemplo
de codominancia.
El sistema sanguíneo ABO y Rh
El análisis de los grupos sanguíneos en humanos
ocupa un lugar especial en la genética, en primer
lugar por sus contribuciones al establecimiento
de algunos principios genéticos y luego por su
importancia clínica en la transfusión de sangre.
La nomenclatura de los grupos sanguíneos se ha
hecho de modo fragmentario, empleándose
varios sistemas. El sistema ABO propuesto por
K. Landsteiner en 1900 se refiere a la presencia
de diferentes glucoproteínas en la superficie de los glóbulos rojos. El sistema tiene 3 alelos (IA, IB y IO) donde
los alelos IA y IB son dominantes sobre el alelo Io, pero codominantes entre si. En un heterocigoto los alelos
codominantes se expresan de manera completa y equitativa, produciendo una condición fenotípicamente
distinta al fenotipo intermedio entre los dos extremos. Cada alelo codifica para una glucoproteína diferente
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(ANTIGENO) que se distinguen con pruebas en las que cada una produce una respuesta inmunológica
diferente. El alelo A codifica para la presencia del antígeno A en la superficie de los glóbulos rojos, mientras
el alelo B codifica para el antígeno B. El alelo O no produce antígeno.
Los antígenos expresados por cada uno de los alelos reaccionan con ciertas proteínas del plasma sanguíneo
(ANTICUERPO). Esta interacción es altamente específica y puede dar como resultado la aglutinación
celular. La tabla 1 muestra la relación entre el tipo sanguíneo, antígenos celulares, anticuerpos del plasma y
genotipo posible en el sistema ABO.
El sistema Rh constituye otro ejemplo de alelos múltiples con interés dada su relación con la enfermedad
hemolítica del recién nacido y su importancia en la transfusión. Los genes responsables de la producción de
éstos antígenos se conocen como alelos Rh descrito por K. Landsteiner y A.S. Weir en 1940. El sistema Rh
es genéticamente complejo, pero se puede describir en base a la presencia de otro antígeno que se expresa en
la membrana superficial de los eritrocitos y codificado por un único par de alelos D y d; donde las personas
Rh+ son DD o Dd y las Rh- son dd.
Procedimiento
1. Tome un algodón con alcohol y limpie la zona de la yema del dedo índice.
2. Con una lanceta punce el área y oprima el dedo para sacar tres gotas de sangre.
3. Coloque en un portaobjeto tres gotas de sangre separadas una de la otra.
4. El instructor agregará una gota de antígeno para los tres tipos sanguíneos ABO. Mezcle cuidadosamente
con un mondadientes
5. Al término del periodo de reacción reporte si se observa (+) o no (-) algún signo de aglutinación
6. Determine el grupo sanguíneo y el Rh con el factor antígeno D siguiendo los siguientes cuadros:
7. Elabore un cuadro de distribución de frecuencias de los fenotipos de grupos sanguíneos (ABO y
Rh) de la clase. Para ello analice la siguiente información
Añadiendo otra variable a la ecuación de Hardy-Weinberg, es posible realizar el cálculo de las frecuencias
genotípicas y alélicas para la situación con tres alelos. Sean p, q y r la representación de las frecuencias de
los alelos A, B y O respectivamente. Dado que son tres alelos, se tiene que:
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p+ q + r = 1
Las frecuencias fenotípicas de una población son las proporciones o porcentajes de individuos de cada
fenotipo que están presentes en la población, ó
Número de individuos de un fenotipo
Número total de individuos
Si se conocen las frecuencias fenotípicas de los tipos sanguíneos en una población, es posible determinar las
frecuencias para los tres alelos del sistema ABO. Por ejemplo, en una muestra se observaron las siguientes
frecuencias para tipos sanguíneos: A=0,53; B=0,13; O=0,26. Se colocan las frecuencias calculadas en el
cuadro, como se muestra a continuación:
Frecuencia Fenotípica
Frecuencia Genotípica
Frecuencia Alélica
A
0,53
B
0,13
AB
0
O
0,26
De acuerdo con las condiciones de Hardy-Weinberg, la frecuencia de los genotipos vendrá dada por
(p+ q + r )2 = p2+ q2+ r2 + 2pq + 2pr + 2qr = 1
Debido a que el alelo IOes recesivo, la frecuencia fenotípica del tipo sanguíneo O en la población es igual a la
frecuencia del genotipo recesivo r2. Así,
r2 = 0,26
r = (0,26)1/2
r = 0,51
Frecuencia Fenotípica
Frecuencia Genotípica
Frecuencia Alélica
A
0,53
B
0,13
AB
0
O
0,26
0,51
Utilizando el valor estimado para r, es posible calcular las frecuencias de los alelos IA e IB. El alelo IA está
presente en dos genotipos, IAIA y IAIO. La frecuencia del genotipo IAIA viene representada por p2 (según las
condiciones de Hardy-Weinberg desarrolladas anteriormente), y la de IAIO por 2pr. Por consiguiente,
combinando las frecuencias genotípicas de A y O, se obtiene que
p2 + 2pr + r2 = 0,53 + 0,26
Si se resume el término de la izquierda, y se suma a la derecha, se obtiene
(p+ r)2 = 0,79
p + r = ( 0,79 )1/2
p = 0,89 –r
p = 0,89 – 0,51 = 0,38
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Frecuencia Fenotípica
Frecuencia Genotípica
Frecuencia Alélica
A
0,53
B
0,13
AB
0
O
0,26
0,51
0,38
Conociendo el valor de p y r, se puede determinar la frecuencia del alelo IB,
p+q+r=1
q=1–p–r
q = 1 – 0,38 – 0,51
q = 0,11
Frecuencia Fenotípica
Frecuencia Genotípica
Frecuencia Alélica
A
0,53
B
0,13
0,38
0,11
AB
0
O
0,26
0,51
Utilizando los valores de las frecuencias alélicas (p, q y r), se procede al cálculo de las frecuencias
genotípicas, utilizando la fórmula desarrollada a partir de los principios de Hardy-Weinberg
(p+ q + r )2 = p2+ q2+ r2 + 2pq + 2pr + 2qr = 1
Genotipo
IA IA
IA IO
IB IB
IB IO
IA IB
IO IO
Frecuencia Genotípica
p2 = (0,38)2 = 0,14
2pr = 2*0,38*0,51 = 0,39
q2= (0,11)2 = 0,01
2qr = 2*0,11*0,51 = 0,11
2pq = 2*0,38*0,11 = 0,084
r2 = (0,51)2 = 0,26
De forma que es posible completar el cuadro con los valores requeridos, de la siguiente manera,
Frecuencia Fenotípica
Frecuencia Genotípica
Frecuencia Alélica
A
0,53
0,14 0,39
0,38
B
0,13
0,01 0,11
0,11
AB
0
0,084
O
0,26
0,26
0,51
Es importante recordar, que al tratarse de frecuencias, la suma de cada fila deberá ser igual a 1, para
corroborar que los cálculos se hayan efectuado de forma adecuada.
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Frecuencia Fenotípica
Frecuencia Genotípica
Frecuencia Alélica
A
0,53
0,14 0,39
0,38
B
0,13
0,01 0,11
0,11
AB
0
0,084
O
0,26
0,26
0,51
=1
=1
=1
Para las frecuencias alélicas, Bernstein simplificó los cálculos, de la siguiente manera:
Donde F representa la frecuencia fenotípica.
Para el factor Rh, el cálculo se simplifica, ya que se tienen sólo dos variables, así que se sigue la ley de
Hardy-Weinberg, como se detalla a continuación:
p+q=1
(p + q)2 = 1
p2 + 2pq + q2 = 1
En este caso, p y q, corresponden a las frecuencias alélicas de Rh+ y Rh- respectivamente, y p2, 2pq y q2 a las
frecuencias genotípicas.
Dadas las frecuencias fenotípicas para una población, es posible realizar el cálculo de las frecuencias alélicas
y genotípicas
Frecuencia Fenotípica
Frecuencia Genotípica
Frecuencia Alélica
Rh+
0,36
Rh0,64
La frecuencia alélica de Rh- (q) será
q = (0,64)1/2 = 0,8
La frecuencia alélica de Rh+ (p) será
p+q=1
p = 1– q
p = 1 – 0,8
p = 0,2
Finalmente se utiliza la fórmula p2 + 2pq + q2 = 1 para calcular los genotipos, como se hizo en el caso del
sistema de grupos sanguíneos ABO, y se completa el cuadro
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Rh+
0,36
Frecuencia Fenotípica
Frecuencia Genotípica
Frecuencia Alélica
0,04
Rh0,64
0,64
0,8
0,32
0,2
8. Complete su cuadro de resultados con las frecuencias alélicas obtenidas en su grupo de laboratorio
En grupos de 4 personas, elabore una lista de factores que podrían alterar las frecuencias génicas de
la clase con respecto a estos grupos sanguíneos. Luego, se hará una discusión del tema en toda la
clase, dirigida por su instructor.
9. Su instructor le suministrará los datos obtenidos en años anteriores. Con esos datos, calcule,
frecuencia fenotípica, frecuencia genotípica y frecuencia alélica.
10. Compare sus resultados con los datos que se muestran a continuación:
Frecuencias alélicas de los tipos sanguíneos en Costa Rica obtenidos de una muestra de 2196
individuos adultos
Sistema ABO
Fenotipo Observados
A
708
B
267
AB
56
O
1154
Factor antígeno D del sistema Rh
Alelo
A
B
Frecuencia
0.19579
0.07689
O
0.72732
1
Alelo
Rh+
Rh-
Frecuencia
0.76112
0.23888
1
¿Qué diferencias observas entre los resultados obtenidos en el laboratorio y los reportados en el
cuadro anterior? ¿A qué se debe estas diferencias?
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SÍMBOLOS UTILIZADOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN ÁRBOL
GENEALÓGICO
Mujer
Hombre
Mujer y hombre con el rasgo expresado
Mujer y hombre fallecidos
Sexo no identificado
Matrimonio o padres
Generación
Adoptado
Hermanos
Aborto
Gemelos idénticos
Gemelos fraternos
Matrimonio consanguíneo
Divorcio o relación previa
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